CN105403877B - 大动态范围光学分视场探测激光雷达 - Google Patents

Abstract

一种大动态范围光学分视场探测激光雷达，由激光器、扩束镜、折转镜、接收主透镜、分视场镜、小视场变换透镜组、大视场变换透镜组、小视场探测器和大视场探测器构成，本发明的特点是采用光学分视场接收进行强弱激光回波信号的分离，既扩展了激光雷达系统探测动态范围，又保证两个通道信号在时间和强度上的完整性和稳定性，有效地提高了激光雷达系统在水、雾等强散射介质中的探测动态范围。

Description

大动态范围光学分视场探测激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达，特别是一种大动态范围光学分视场探测激光雷达，该激光雷达系统具有更高的探测动态范围，更加适合水、雾等强散射介质中的目标探测。

背景技术

激光雷达在水、雾等强散射介质中进行目标探测，由于强散射介质导致的强衰减，目标回波信号的距离衰减要比在常规大气中的衰减严重得多，因此，会对激光雷达的探测动态范围提出更高的要求。目前常用的提升激光雷达在强散射介质中探测动态范围的方式主要有固定比例分通道技术、对数放大技术、偏振技术、门控和同步变增益技术。

固定比例分通道技术是在接收光路上安装固定比例的分光片，分光少的通道用于近距离强回波信号测量，实现对近距离强回波信号的光衰减，分光多的通道用于远距离弱回波信号测量，保证对远距离弱回波信号的光透过率。该技术简单、成熟，虽然能够扩展激光雷达的动态范围，但是分光多的通道仍然会收到近距离强回波信号而导致饱和，一定程度上影响该通道探测器对远距离弱回波信号的探测灵敏度和稳定性。

对数放大技术是在探测电路上使用对数放大器来实现电信号的动态范围压缩，该技术能够有效扩展激光雷达系统后端采集电路的动态范围，但是，无法解决近距离强回波信号导致的探测器饱和问题。

偏振技术是采用光学偏振接收方法抑制强散射介质的回波干扰导致的动态范围增大，不能提高激光雷达在强散射介质中对硬目标探测的动态范围。

门控技术可以通过光学或者电学方法使激光雷达在某一次测量中只对某一段距离的回波信号进行相应，然后通过调整参数分别多次对不同距离进行探测，实现对探测动态范围的扩展。但是，该技术需要激光雷达进行多次探测来满足回波信号的时间连续性，不适合对探测时间有要求的快速探测应用。

同步变增益技术是将探测器增益与激光发射时间建立关系，以激光发射作为起始时刻，随着时间推移快速提高探测器的增益，实现对不同距离回波探测的灵敏度变化。该技术已经广泛应用在测距和大气探测激光雷达中，但是在强散射介质中，变增益曲线的上升时间往往会缩短至百纳秒以内，这么高速的增益变化会对探测器和电路带来较高的噪声，影响信号输出的稳定性。

因此，对于当前在强散射介质中使用的激光雷达，探测动态范围仍然是一个需要解决和优化的关键问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决激光雷达对水、雾等强散射介质探测时面临的探测动态范围不足问题，提供一种大动态范围光学分视场探测激光雷达，该装置既具有更大的探测动态范围，又保证两个通道信号在时间和强度上的完整性和稳定性，提升了激光雷达系统对水、雾等强散射介质的探测动态范围。

本发明的工作原理：

激光在强散射介质中传播，其光斑会随传播距离而迅速增大，根据这一特点，将激光雷达的接收光路分为中心小视场和边缘大视场。近距离的激光散射较少，形成的激光照明光斑较小，此时的主要回波能量会耦合到中心小视场内，因此，中心小视场对应的小视场探测通道能够接收大部分近距离激光回波，实现对近距离强回波信号的探测，而边缘大视场对应的大视场探测通道只能收到较少的近距离激光回波，实现对近距离回波信号的抑制，避免近距离强信号对大视场探测器的影响。随着距离增大，散射效应越来越强，激光形成的照明光斑较大，此时，主要的回波能量会耦合到边缘大视场，保证边缘大视场对远距离弱信号的光学接收效率。通过光学分视场的方法把近距离的强激光回波和远距离的弱激光回波分别分配到不同响应度的探测通道，扩展了激光雷达系统的探测动态范围。

该装置充分利用了激光在强散射介质中传播的特点，采用光学分视场接收进行强弱激光回波信号的分离，即实现了对激光雷达系统探测动态范围的扩展，又保证两个不同灵敏度通道信号在时间和强度上的完整性和稳定性，可以有效提高激光雷达系统在水、雾等强散射介质中的探测动态范围。

本发明的技术解决方案如下：

一种大动态范围光学分视场探测激光雷达，其特点在于：该激光雷达包括激光器、扩束镜、折转镜、接收主透镜、分视场镜、小视场变换透镜组、大视场变换透镜组、小视场探测器和大视场探测器，上述元部件的连接关系如下：

所述的激光器产生脉冲激光经所述的扩束镜、折转镜后到达所述的接收主透镜的前面，并沿该接收主透镜的光轴方向发射出去，所述的脉冲激光在强散射介质中的回波由所述的接收主透镜会聚到所述的分视场镜，该分视场镜是具有中心通孔的45°反射镜，经中心通孔透过的回波光输入到小视场变换透镜组，所述的小视场变换透镜组沿光束前进方向依次是准直透镜、滤光片和聚焦透镜，分别对回波光实现光准直、滤波、会聚，由小视场探测器探测，经所述的分视场镜边缘反射的回波光输入到所述的大视场变换透镜组，该大视场变换透镜组沿光束前进方向依次是大视场准直透镜、大视场滤光片和大视场聚焦透镜，分别对所述的分视场镜边缘反射的回波光实现光准直、滤波、会聚，由所述的大视场探测器探测。

所述的激光器为波长526nm～532nm的固体激光器。

所述的接收主透镜的数值孔径为0.4。

所述的小视场变换透镜组和大视场变换透镜组在小视场通道的滤光片的光学带宽为 1nm。

所述的小视场探测器为光电雪崩二极管，大视场探测器为光电倍增管。

上述大动态范围光学分视场探测激光雷达的探测的步骤如下：

①所述的激光器产生脉冲激光经所述的扩束镜、折转镜后到达所述的接收主透镜的前面，并沿该接收主透镜的光轴方向发射出去，所述的脉冲激光在强散射介质中的回波由所述的接收主透镜会聚到所述的分视场镜，通过分视场镜将激光回波信号分到两个接收视场，小视场对应近距离的小视场探测，大视场对应远距离的大视场探测；

②所述的小视场探测器和大视场探测器的灵敏度通过探测器的高压输入分别单独进行设置，两个探测器同步完成对应视场内激光回波信号的光电转换，均能输出完整的时间序列回波电信号；

③对于不同散射强度的散射介质，可以通过对所述的小视场探测器和大视场探测器的灵敏度在线调节，来调整两个通道探测响应区域的重叠率，使探测动态范围的分配更好地适应环境参数。

④所述的激光器发射和所述的接收主透镜采用同轴方式，即激光发射光轴与接收光轴重合，实现发射和接收的视场匹配。

本发明的优点在于：

1、利用激光在强散射介质中传输的特点，采用光学分视场方法进行信号分配，在无损失信号的情况下有效提高系统的探测动态范围；

2、本发明通过光学分视场方法，有效降低了大视场通道对于近距离回波探测的效率，克服了近距离回波导致的大视场通道信号饱和问题，保证了大视场通道探测信号在时间和强度上的完整性和信号稳定性；

3、对于不同散射强度的散射介质，可以通过对探测器灵敏度进行在线调节，调整两个通道探测响应区域的重叠率，使探测动态范围的分配更好地适应环境参数。

附图说明

图1是本发明大动态范围光学分视场探测激光雷达的结构框图；

图中：1——激光器，2——扩束镜，3——转折镜，4——接收主透镜，5——分视场镜，6——小视场变换透镜组，6-1——准直透镜，6-2——滤光片，6-3——聚焦透镜，7——大视场变换透镜组，7-1——准直透镜，7-2——滤光片，7-3——聚焦透镜，8——小视场探测器，9——大视场探测器。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明大动态范围光学分视场探测激光雷达的结构框图，由图可见，本发明大动态范围光学分视场探测激光雷达，包括激光器1、扩束镜2、折转镜3、接收主透镜4、分视场镜5、小视场变换透镜组6、大视场变换透镜组7、小视场探测器8和大视场探测器9，上述元部件的连接关系如下：

所述的激光器1产生脉冲激光经所述的扩束镜2、折转镜3后到达所述的接收主透镜4的前面，并沿该接收主透镜的光轴方向发射出去，所述的脉冲激光在强散射介质中的回波由所述的接收主透镜4会聚到所述的分视场镜5，该分视场镜5是具有中心通孔的45°反射镜，经中心通孔透过的回波光输入到小视场变换透镜组6，所述的小视场变换透镜组6沿光束前进方向依次是准直透镜6-1、滤光片6-2和聚焦透镜6-3，分别对回波光实现光准直、滤波、会聚，由小视场探测器8探测，经所述的分视场镜5边缘反射的回波光输入到所述的大视场变换透镜组7，该大视场变换透镜组7沿光束前进方向依次是大视场准直透镜7-1、大视场滤光片7-2和大视场聚焦透镜7-3，分别对所述的分视场镜5边缘反射的回波光实现光准直、滤波、会聚，由所述的大视场探测器9探测。

下面是一个实施例采用的主要器件的参数：

所述的激光器1为波长526.5nm的固体激光器，输出脉冲宽度2ns；

所述的扩束镜2将输入激光光斑直径扩大3倍，激光发散角压缩到原来的1/3；

所述的折转镜3将输入激光折转到所述的接收主透镜4前面，将激光沿接收主透镜的光轴方向发射出去，发射光轴与接收光轴同轴；

所述的接收主透镜4为非球面透镜，通光口径200mm，数值孔径0.4，波长526.5nm的透过率为99.9％，接收激光在强散射介质中的回波；

所述的分视场镜5为具有中心通孔的45°反射镜，中心通孔的直径3mm，可以直接透光，边缘外径30mm的反射镜将光沿镜面法线45°方向反射；

所述的在小视场通道的小视场变换透镜组6，包括准直透镜6-1、滤光片6-2和聚焦透镜6-3三个元件，三个元件分别实现对光的准直、滤波和会聚作用，滤光片6-2的光学带宽为1nm；

所述的在大视场通道的大视场变换透镜组7，包括大视场准直透镜7-1、大视场滤光片7-2和大视场聚焦透镜7-3，三个元件分别实现对光的准直、滤波和会聚作用，大视场滤光片7-2的光学带宽为1nm；

所述的小视场探测器8为雪崩二极管，响应光谱范围400nm～1000nm；

所述的大视场探测器9为光电倍增管，响应光谱范围400nm～700nm。

利用上述大动态范围光学分视场探测激光雷达进行探测的方法，包括下列过程：

①所述的激光器产生脉冲激光经所述的扩束镜、折转镜后到达所述的接收主透镜的前面，并沿该接收主透镜的光轴方向发射出去，所述的脉冲激光在强散射介质中的回波由所述的接收主透镜会聚到所述的分视场镜，通过分视场镜5将激光回波信号分到两个接收视场， 小视场对应近距离的小视场探测，大视场对应远距离的大视场探测；

②所述的探测器8包括小视场探测器8和大视场探测器9，两个探测器的灵敏度可以通过设置探测器的高压来改变，同步完成对应视场内激光回波信号的光电转换，均能输出完整的时间序列回波电信号；

③对于不同散射强度的散射介质，可以通过对探测器灵敏度进行在线调节，来调整两个通道探测响应区域的重叠率，使探测动态范围的分配更好地适应环境参数；

④所述的激光发射和所述的主透镜4接收采用同轴方式，即激光发射光轴与接收光轴重合，实现发射和接收的视场匹配。

Claims (5)

1.一种大动态范围光学分视场探测激光雷达，其特征在于：该激光雷达包括激光器(1)、扩束镜(2)、折转镜(3)、接收主透镜(4)、分视场镜(5)、小视场变换透镜组(6)、大视场变换透镜组(7)、小视场探测器(8)和大视场探测器(9)，上述元部件的连接关系如下：

所述的激光器(1)产生脉冲激光经所述的扩束镜(2)、折转镜(3)后到达所述的接收主透镜(4)的前面，并沿该接收主透镜的光轴方向发射出去，所述的脉冲激光在强散射介质中的回波由所述的接收主透镜(4)会聚到所述的分视场镜(5)，该分视场镜(5)是具有中心通孔的45°反射镜，经中心通孔透过的回波光输入到小视场变换透镜组(6)，所述的小视场变换透镜组(6)沿光束前进方向依次是准直透镜(6-1)、滤光片(6-2)和聚焦透镜(6-3)，分别对回波光实现光准直、滤波、会聚，由小视场探测器(8)探测，经所述的分视场镜(5)边缘反射的回波光输入到所述的大视场变换透镜组(7)，该大视场变换透镜组(7)沿光束前进方向依次是大视场准直透镜(7-1)、大视场滤光片(7-2)和大视场聚焦透镜(7-3)，分别对所述的分视场镜(5)边缘反射的回波光实现光准直、滤波、会聚，由所述的大视场探测器(9)探测。

2.根据权利要求1所述的大动态范围光学分视场探测激光雷达，其特征在于所述的激光器(1)为波长526nm～532nm的固体激光器。

3.根据权利要求1所述的大动态范围光学分视场探测激光雷达，其特征在于所述的接收主透镜(4)的数值孔径为0.4。

4.根据权利要求1所述的大动态范围光学分视场探测激光雷达，其特征在于所述的小视场变换透镜组(6)和大视场变换透镜组(7)在小视场通道的滤光片的光学带宽为1nm。

5.根据权利要求1所述的大动态范围光学分视场探测激光雷达，其特征在于所述的小视场探测器(8)为光电雪崩二极管，大视场探测器(9)为光电倍增管。